“韌勁十足”的纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料

高性能陶瓷材料如碳化硅、氧化鋁、氮化硅等，具有強(qiáng)度高、耐腐蝕、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，但是這類材料也有致命的缺陷，就是高脆性，在受到應(yīng)力沖擊時(shí)容易導(dǎo)致斷裂。而采用高強(qiáng)度、高彈性模量的纖維與陶瓷基體復(fù)合可阻止裂紋的擴(kuò)展，從而得到具有優(yōu)良韌性的纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料，既可以保留陶瓷材料的優(yōu)點(diǎn)，又能克服掉陶瓷材料脆性高的弱點(diǎn)，是提高陶瓷韌性和可靠性的有效方法。纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料就是以陶瓷材料為基體，以陶瓷纖維、晶須、晶片或顆粒為補(bǔ)強(qiáng)體，通過適當(dāng)?shù)膹?fù)合工藝制備且性能可設(shè)計(jì)的一類新型材料，具有高強(qiáng)度、高模量、低密度、耐高溫、耐磨耐蝕和良好的韌性等諸多優(yōu)點(diǎn)，受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。與其他復(fù)合材料相比，纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的成型工藝相對(duì)復(fù)雜，制備周期長(zhǎng)，成本高，對(duì)設(shè)備要求也高，成品率較難保證。因此，纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料通常應(yīng)用于高精尖領(lǐng)域，應(yīng)用于熱結(jié)構(gòu)部件的典型代表有C/C、C/SiC及SiC/SiC復(fù)合材料。歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)開展該類材料在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用，我國(guó)也緊隨其后展開了廣泛的研究。纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料好比構(gòu)造齊全的“人體組織”纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)一般包含四個(gè)部分：補(bǔ)強(qiáng)纖維、界面相、基體及表面抗氧化涂層。其中補(bǔ)強(qiáng)纖維相當(dāng)于復(fù)合材料的“骨架”，是復(fù)合材料的主要承載結(jié)構(gòu)單元，復(fù)合材料的強(qiáng)度很大程度上取決于增強(qiáng)纖維的強(qiáng)度。纖維可分為短切纖維和連續(xù)纖維。短切纖維的長(zhǎng)度一般在150mm以下，通常采用顆粒彌散及晶須復(fù)合增韌的方法來實(shí)現(xiàn)與基體的復(fù)合；連續(xù)纖維則具有較大的長(zhǎng)徑比，能夠?qū)崿F(xiàn)沿長(zhǎng)度方向的不間斷增強(qiáng)效應(yīng)，可靠性較高。包覆在纖維外的界面相相當(dāng)于連接在骨架上的“筋”，是復(fù)合材料的傳載結(jié)構(gòu)單元，主要作用是將復(fù)合材料的載荷傳遞到盡可能多的纖維上?；w則相當(dāng)于復(fù)合材料的“肌肉”，是形成復(fù)合材料外形和剛性的基本結(jié)構(gòu)，基體應(yīng)具有良好的抗氧化和耐腐蝕性能，在服役環(huán)境中起到保護(hù)纖維和界面的作用。而表面涂層則相當(dāng)于“皮膚”，是復(fù)合材料和外界環(huán)境直接接觸的結(jié)構(gòu)單元，是保護(hù)復(fù)合材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的第一道屏障。纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料應(yīng)用潛力巨大提到纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料，首先要說的就是碳/碳（C/C）復(fù)合材料，碳纖維最早起源于1860年英國(guó)人用于燈絲的炭絲，經(jīng)過200多年的發(fā)展，碳纖維已成為研究最成熟、性能最好的纖維之一。20世紀(jì)60年代以來，受先進(jìn)飛行器的要求所推動(dòng)，碳纖維及其復(fù)合材料的制備獲得很大發(fā)展。與金屬材料相比，C/C復(fù)合材料具有良好的耐熱性、極小的熱膨脹率、很輕的重量（只有鐵的1/5）、良好的耐腐蝕性等性能優(yōu)勢(shì)；與石墨相比，C/C復(fù)合材料具有更高的強(qiáng)度、更好的韌性，不易破碎；與樹脂相比，C/C復(fù)合材料能耐更高的溫度（最高耐溫達(dá)2800℃左右），具有良好的耐腐蝕性和極高的耐摩擦性；與單相陶瓷相比，C/C復(fù)合材料具有良好的韌性、極佳的耐沖擊性和易加工性。這些特性使其應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋軍用戰(zhàn)略導(dǎo)彈、載人飛船等再入飛行器的熱端部件，飛機(jī)、汽車和高速火車等剎車材料，廣泛用于民用領(lǐng)域的高溫爐發(fā)熱體、爐體、承重板、螺栓、螺母、墊片等。

C/C復(fù)合材料隔離筒、螺母、螺桿

霍艷麗/供圖碳/碳化硅（C/SiC）復(fù)合材料具有C/C復(fù)合材料的一系列優(yōu)點(diǎn)，且克服了C/C復(fù)合材料在氧化氣氛中易氧化失效的缺點(diǎn)，其抗氧化性能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于C/C復(fù)合材料，可應(yīng)用于再入飛行器、空間反射鏡、裝甲防彈等領(lǐng)域。隨著SiC纖維制備技術(shù)的不斷突破，SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料作為后起之秀，與C/SiC復(fù)合材料相比，其增強(qiáng)相SiC纖維具有高強(qiáng)高模、耐高溫、抗蠕變、耐腐蝕、材料熱膨脹系數(shù)小及更佳的抗氧化性等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)克服了碳化硅陶瓷斷裂韌性低和抗沖擊性能差的缺陷，是目前國(guó)際公認(rèn)的最有潛力的發(fā)動(dòng)機(jī)熱結(jié)構(gòu)材料之一。我國(guó)高性能陶瓷基復(fù)合材料仍處于追趕先進(jìn)階段黨的十八大以來，我國(guó)組織實(shí)施了“國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃”“兩機(jī)專項(xiàng)”等系列項(xiàng)目研究，重組、組建了“中國(guó)航發(fā)集團(tuán)”“中航復(fù)材中心”等研發(fā)隊(duì)伍與基地，取得了一系列的成果。但是我國(guó)在高性能碳纖維、SiC纖維制備技術(shù)的開發(fā)方面與西方發(fā)達(dá)國(guó)家仍存在10～15年的差距。以美國(guó)為首的西方發(fā)達(dá)國(guó)家，SiC陶瓷基復(fù)合材料已廣泛應(yīng)用于燃燒室內(nèi)襯套、燃燒室筒、翼或螺旋槳前緣、噴口導(dǎo)流葉片、渦輪葉片、渦輪殼環(huán)等熱端部件，而我